深耕及复合措施对土壤呼吸、烤烟生长及品质的影响

王 东,陈 彪,崔晓闯,张 伟,伦 锦*

(1.河南中烟工业有限责任公司,河南 郑州 450017;2.河南中烟工业有限责任公司 许昌卷烟厂,河南 许昌 461000;3.河南省烟草公司 平顶山市公司,河南 平顶山 467002)

保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术,是指在一季作物收获之后地表残茬覆盖率至少为30%,使土壤侵蚀控制约在50%的耕作和种植体系[1]。深耕是以改变微地形为主的保护性耕作措施,可以有效降低土壤的紧实度[2]，改善土壤的通透性[3]，增加土壤的微生物活性[4]，提高土壤的肥力[5],进而促进作物根系生长和提高作物的产量和品质[6]。土壤呼吸是指土壤释放二氧化碳的过程,从严格意义上讲是指未扰动土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用,包括3个生物学过程(土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸)和1个非生物学过程,即含碳矿物质的化学氧化作用[7],也是农田碳库向大气碳库输入的主要途径；土壤呼吸值的变化对全球气候变暖有较大的影响[8]。因此,深入研究土壤耕作、秸秆还田和绿肥翻压对土壤呼吸排放特征的影响,对制定科学有效的土壤耕作方式及土壤碳调控管理措施具有重要意义。

研究表明,深耕对农田土壤的呼吸有显著的影响[9]。在翻耕条件下农田土壤的呼吸速率显著高于旋耕和免耕条件下的,而深松耕处理的土壤呼吸速率又显著高于翻耕处理的[10]。秸秆和绿肥翻埋还田可以提高土壤的呼吸速率,且随着秸秆还田量的增加土壤呼吸通量显著提高[11]。此外,土壤温度、土壤水分、土壤透气性和土壤有机质含量等也是影响土壤呼吸的关键因子[12-13]。前人的研究多侧重于分析单一的土壤耕作方式或秸秆处理方式对土壤呼吸特征的影响[14-15],且研究周期多局限于单一作物生长季[16],而对翻耕深度及秸秆还田、绿肥翻压条件下作物各个生长时期土壤呼吸速率的变化规律的研究目前鲜有报道。鉴于此,本试验采用深耕、浅耕与秸秆还田、绿肥翻压相结合的模式,研究了不同措施对烟田土壤呼吸速率及其调控因子，以及烤烟的生长发育、化学成分和感官质量的影响，以期揭示不同耕作方式下土壤呼吸速率及其影响因素的变化规律，探索不断改善豫中烟区土壤质量、促进烤烟生长发育和提高烟叶质量的有效途径,为烤烟生产建立适宜的深耕栽培技术方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在河南省郏县市李口乡白龙庙村进行。土壤质地为砂壤土,土壤基础肥力指标为: pH值7.8,有机质含量17.1 g/kg,碱解氮含量49.0 mg/kg,速效磷含量6.3 mg/kg,速效钾含量87.5 mg/kg,缓效钾含量629.4 mg/kg,有效硫含量13.9 mg/kg。试验田地势平坦,排灌方便。供试烤烟品种为中烟100；选取生长茁壮的烟苗于5月10日移栽；适时打顶,打顶时每株烟留叶21或22片。

1.2 试验方法

试验采用单因素随机区组设计,每处理重复3次,共设置5个处理和1个对照。CK:常规耕作(对照)。处理T1:常规耕作+绿肥翻压。T2:常规耕作+秸秆还田。T3:深耕。T4:深耕+绿肥翻压。T5:深耕+秸秆还田(秸秆还田量为6000 kg/hm2)。

试验田每小区(6～8行区)面积约100 m2,并设置保护行。常规耕作：采用铧式犁翻耕1遍,作业深度为20 cm,随后耙地2遍,以便于起垄栽烟。深耕：采用铧式犁翻耕1遍,作业深度为30 cm,随后耙地2遍。腐熟秸秆于起垄前撒施于地面,结合土壤耕作混入土壤中进行翻埋。绿肥按照当地播种量播种后,于耕作时翻压还田。土壤耕作后起垄覆膜,选择长势均匀一致的烟苗移栽。

各处理的施肥量依照当地常规施肥量标准,即纯氮22.5 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O=1∶2.25∶6；试验所用肥料为烟草专用复合肥(10∶12∶24),磷、钾不足部分用重过磷酸钙、硫酸钾补充提供。除耕作方式不同外,所有处理均保持相同的田间管理方式及烤烟调制措施。

1.3 测定项目

1.3.1 土壤理化指标 使用土壤紧实度仪测定耕作后土壤的紧实度,以2.5 cm深度为1层，每层测定1个数据,计算0～40 cm的平均土壤紧实度。分别在烤烟移栽前以及移栽后30、60、90、120 d取0～20 cm耕层土壤,采用重铬酸钾容量法-外加热法[17]测定土壤的有机碳含量。在移栽前以及烟株移栽后15、30、45、60、90、105 d,分别取0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层的土壤,测定各土层土壤的容重。使用Li-COR 8100A土壤碳通量自动测量仪测定土壤的呼吸速率,于烤烟的旺长期、圆顶期、成熟期晴朗无风天气的上午9:00～11:00进行测定。

1.3.2 烟株生长指标 在烤烟圆顶期,随机选取各处理的5棵烟株,在烘箱中于105 ℃条件下杀青30 min,然后在70 ℃条件下烘干至恒重，测定烟株的干物质积累量。参照王玉杰[18]的方法测定烟株根的干重密度。

1.3.3 烤后烟叶指标 在烟叶烘烤后,选取各处理具有代表性的中部和上部烟叶样品2 kg，进行化学成分和香气成分的分析。参照王瑞新[19]的方法进行常规化学成分分析;感官评吸由河南中烟技术中心7名评吸委员进行,各指标采用专家评吸打分平均值作为量化分值。各评价指标的评分权重为：香气质，20分；香气量，20分；浓度，10分；杂气，10分；刺激性，10分；余味，15分；劲头，5分；燃烧性，5分；灰色，5分；总分为100分。

1.4 统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 21.0软件进行数据统计分析,采用Origin 9.0进行分析绘图；对平均值用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤呼吸的影响

2.1.1 不同处理对土壤呼吸速率的影响 土壤呼吸速率可表征土壤质量和肥力水平,同时也可以反映土壤生物活性及土壤物质代谢的强度[20]。由图1可知：土壤呼吸速率在烤烟旺长期出现了高峰(常规耕作在圆顶期最高)；此后随着生育进程的推移而逐渐下降；在旺长期,不同处理的土壤呼吸速率表现为T4>T1>T5>T3>T2>CK;在圆顶期,不同处理的土壤呼吸速率表现为T4>T5>T1>T2>T3>CK;在成熟期,不同处理的土壤呼吸速率表现为T4>T5>T1>T3>T2>CK。与常规耕作相比,深耕能明显增加土壤的呼吸速率,其中旺长期、圆顶期和成熟期的土壤呼吸速率分别比常规耕作显著增加了21.62%、8.29%和43.46%。深耕+绿肥处理与深耕+秸秆还田处理也能明显增加旺长期、圆顶期和成熟期的土壤呼吸速率,分别比对照显著增加了55.68%、20.85%、53.69%和22.64%、15.08%、50.65%。

图1 不同处理对土壤呼吸速率的影响

2.1.2 不同处理对土壤呼吸调控因子的影响

2.1.2.1 不同处理对土壤紧实度的影响 由图2可知,无论是常规耕作还是深耕,在耕作后配合翻压绿肥或者秸秆还田均能明显降低土壤的紧实度,其中常规耕作配合绿肥翻压及秸秆还田处理较常规耕作对照分别显著降低了9.65%和7.02%,深耕配合绿肥翻压及秸秆还田处理较深耕处理分别显著降低了11.49%和15.52%,说明绿肥翻压和秸秆还田对土壤的松紧结构有明显的改善作用。但与常规耕作相比,深耕后各处理土壤的紧实度均有所增加,其原因可能与烤烟生产起垄有关,烤烟在平整土地耕作后进行了起垄,目的是提高土壤的活土层面积,但耕层加深后土壤变得紧实[21]。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.2.2 不同处理对土壤有机碳含量的影响 由图3可知,随着烟草生育期的推移,植烟土壤有机碳的含量变化并未呈现出一定的规律性,但不同耕作处理之间差异明显。深耕后配合施用绿肥和秸秆还田可明显增加土壤的有机碳含量,其中深耕+绿肥处理的土壤有机碳含量无论在哪个时期均最高；其次是深耕+秸秆还田处理；深耕+绿肥处理的土壤有机碳含量在各时期比常规耕作对照分别显著增加了33.12%、14.08%、38.43%、33.38%和15.93%；常规耕作+绿肥或秸秆还田处理的土壤有机碳含量与常规耕作相比并未明显增加,这可能与土壤耕层浅、水分与温度不协调而使绿肥和小麦秸秆在土壤中腐解速度慢有关。常规耕作+绿肥处理的土壤有机碳含量自移栽后逐渐增加,在后期逐渐释放出来。随着烟草生育期的推移,深耕处理烟田土壤的有机碳含量在各处理中逐渐降到最低,这可能与深耕后添加有机物料有关,深耕后土层发生变化,活土层厚度虽增加但未熟化,植烟土壤的有机营养水平减低[22]。

2.1.2.3 不同处理对土壤容重的影响 土壤容重可以反映土壤的颗粒组成和孔隙状况。如图4所示,随着土层深度的增加,土壤容重逐渐增加。与常规耕作对照相比,深耕后各处理各土层的土壤容重均显著降低,其中0～10 cm和10～20 cm土层容重表现为常规耕作+绿肥处理>常规耕作对照>深耕+绿肥处理>常规耕作+秸秆还田处理>深耕+秸秆还田处理>深耕处理,20～30 cm土层表现为常规耕作对照>常规耕作+绿肥处理>深耕处理>常规耕作+秸秆还田处理>深耕+秸秆还田处理>深耕+绿肥处理,30～40 cm土层表现为常规耕作对照>常规耕作+绿肥处理>深耕处理>常规耕作+秸秆还田处理>深耕+绿肥处理>深耕+秸秆还田处理。结果表明,在0～20 cm表土层范围内,施用绿肥对改良土壤容重效果并不明显,但深耕和深耕+秸秆还田处理可明显降低土壤的容重。深耕后配施绿肥和秸秆还田可明显降低20～40 cm土层的容重,尤其是20～30 cm土壤容重明显降低,说明深耕后配合有机物料可增加活土层的深度,并能够熟化土层,改良土壤孔隙结构。

图4 不同处理对土壤容重的影响

2.2 不同处理对烤烟生长的影响

2.2.1 不同处理对烤烟干物质积累的影响 由图5可见：深耕可明显增加烤烟在圆顶期的植株总干物质累积量；深耕配合种植绿肥或者秸秆还田也可明显增加植株的干物质累积量,其中深耕处理的烟株干物质积累比常规耕作显著提高了48.67%,深耕+绿肥和深耕+秸秆还田处理分别比常规耕作显著增加了101.16%和59.48%；不同处理的烤烟干物质积累量总体表现为深耕+绿肥>深耕+秸秆还田>深耕>常规耕作+绿肥>常规耕作+秸秆还田>常规耕作。

2.2.2 不同处理对烤烟根系干物质密度的影响 根干重密度是指单位土壤体积的根干重,可以反映根系在土壤剖面的垂直分布,是反映植株根系生长状况的重要指标之一[23]。由图6可知,不同处理在烤烟圆顶期的根系干物质密度表现出一定的规律性,即深耕+绿肥>深耕+秸秆还田>深耕>常规耕作+绿肥>常规耕作+秸秆还田>常规耕作。与常规耕作相比,深耕、深耕+绿肥和深耕+秸秆还田处理均增加了烤烟根系干物质密度,分别比常规耕作显著增加了62.25%、162.40%和90.58%。在常规耕作的基础上,配合种植绿肥和秸秆还田也能提高烤烟根系的干物质密度,分别比常规耕作提高了38.88%和6.34%。总体而言,在深耕的基础上配合施用绿肥和秸秆还田有利于烤烟根系的生长。

2.3 不同处理对烤后烟叶品质的影响

2.3.1 不同处理对烤后烟叶常规化学成分含量的影响 不同耕作处理烤烟各部位叶片的常规化学成分分析结果(表1)表明：不同处理的烟叶钾含量均显著高于对照的,特别是深耕配合施用绿肥和秸秆还田处理对提高烟叶各部位钾含量效果非常明显,其中深耕+绿肥处理的上部叶、中部叶钾含量分别比常规耕作对照提高了0.68、0.87个百分点,深耕+秸秆还田处理的上部叶、中部叶钾含量分别比常规耕作对照提高了0.16、0.24个百分点。说明深耕配合绿肥和秸秆还田有利于烟叶钾素含量的提高。

与常规耕作对照相比,常规耕作+绿肥和深耕处理能降低各部位烟叶的烟碱含量,常规耕作+秸秆还田处理能降低中、上部叶的烟碱含量。深耕后配施绿肥和秸秆还田处理的烤烟中、上部叶烟碱含量与常规耕作对照并无显著差异。

从表1还可以看出：除深耕+绿肥处理外,其他各处理的上部叶总糖和还原糖含量均高于常规耕作对照；各处理的中部叶两糖含量与对照相当;与常规耕作对照相比,深耕+绿肥处理能降低中上部叶的氯含量。

表1 不同处理对烤后烟叶常规化学成分含量的影响

图5 不同处理对烤烟干物质积累的影响

图6 不同处理对烤烟根系干物质密度的影响

2.3.2 不同处理对烤后烟叶中性致香物质含量的影响 对烤后上中部叶的中性致香物质含量进行气相色谱/质谱(GC/MS)定量和定性分析，结果如表2所示。对于上部叶而言，深耕处理的烤后烟叶中性致香物质总量均高于常规耕作对照的；常规耕作+秸秆还田处理的中性致香物质总量较低；不同处理的中性致香物质总量表现为深耕+绿肥>深耕>深耕+秸秆还田>常规耕作>常规耕作+绿肥>常规耕作+秸秆还田处理。从除新植二烯后的总量来看,除常规耕作+绿肥处理与常规耕作+秸秆还田处理基本相当外,其他处理的表现规律与中性致香物质总量相似。深耕+绿肥处理在类胡萝卜素降解产物、新植二烯以及芳香类氨基酸降解产物的含量上最高,其次是深耕处理。Maillard反应产物含量以深耕处理最高,其次是深耕+绿肥和深耕+秸秆处理,以常规耕作+秸秆还田处理最低。深耕+秸秆还田处理能明显提高类西柏烷类降解产物茄酮的含量。

对于中部叶而言,深耕处理的中性致香物质总量也均高于常规耕作对照的,规律与上部叶相似,但不同处理表现为深耕+绿肥>深耕+秸秆还田>深耕>常规耕作+绿肥>常规耕作>常规耕作+秸秆还田处理。从除新植二烯后的总量来看,深耕处理比深耕+绿肥处理略高,其次是常规耕作+绿肥处理,而以常规耕作对照最低。在类胡萝卜素降解产物、新植二烯及芳香类氨基酸降解产物的含量上,以深耕+绿肥处理最高,其次是深耕和深耕+秸秆还田处理。Maillard反应产物含量也以深耕处理最高。常规耕作+绿肥处理能明显提高类西柏烷类降解产物的含量。

表2 不同处理对烤后烟叶中性致香物质含量的影响 μg/g

2.3.3 不同处理对烤后烟叶感官评吸质量的影响 对不同耕作处理烤烟中上部叶的感官质量评吸结果(表3)表明:对中部叶而言,香气质均为中等,香气量尚充足,表现为常规耕作各处理的得分高于深耕及深耕配合翻压绿肥和秸秆还田处理,其中又以浅耕+绿肥处理的得分最高;浓度均为中等,得分表现为常规耕作+绿肥>深耕+绿肥>常规耕作+秸秆还田>深耕+秸秆还田>常规耕作>深耕处理,说明翻压绿肥可以提高烟气浓度;杂气表现为“有”,但浅耕各处理的杂气得分高于深耕各处理的;各处理的刺激性、劲头和灰分得分基本相当;浅耕各处理的余味得分高于深耕处理;烟叶的燃烧性处于中等稍差水平,其中翻压绿肥处理的燃烧性得分高于其他处理。各处理烟叶感官评吸质量的总体得分表现为常规耕作+绿肥>常规耕作+秸秆还田>常规耕作>深耕+绿肥>深耕>深耕+秸秆还田处理。

对于上部叶而言,常规耕作各处理的香气质、香气量、余味、浓度和燃烧性得分高于深耕及深耕配合翻压绿肥和秸秆还田处理。各处理烟叶感官评吸质量的总体得分表现为常规耕作+秸秆还田>常规耕作>常规耕作+绿肥>深耕>深耕+秸秆还田>深耕+绿肥处理。

综上所述,无论中部叶还是上部叶,常规耕作对照及常规耕作配合翻压绿肥或者秸秆还田处理的评吸得分都高于深耕各处理,这可能与试验地的轮作前茬有关，因试验地前茬为玉米,在玉米收获后残留氮素较多,影响到烤烟对矿质元素的吸收和代谢[24]。

表3 不同处理对烤后烟叶感官评吸质量得分的影响

3 小结

本试验结果表明：不同的耕作措施明显地影响土壤的呼吸状况。在烤烟旺长期时土壤呼吸速率最大；随着生育期的推移,土壤呼吸速率逐渐降低；深耕及深耕后翻压绿肥或秸秆还田能够明显提高土壤的呼吸速率。深耕配施绿肥和秸秆还田能明显增加0～30 cm土层的有机碳含量,降低0～40 cm各土层的容重,改良土壤的孔隙结构。

深耕及深耕配合绿肥翻压或者秸秆还田可明显增加烤烟在圆顶期的植株总干物质累积量,且根系干物质密度与烤烟干物质累积量表现出一致的规律性，说明在深耕的基础上配合施用绿肥和秸秆还田有利于烤烟根系的生长。

深耕及配施绿肥或秸秆还田可以提高烟叶的钾含量,但对其他化学成分含量的影响不明显。深耕及深耕后翻压绿肥或秸秆还田处理能明显增加烤后中上部烟叶的中性致香物质总量和除新植二烯外的中性致香物质总量；深耕+绿肥处理能明显提高中上部叶的类胡萝卜素降解产物、叶绿素降解产物新植二烯及芳香类氨基酸降解产物的含量。此外,深耕处理能提高中上部叶的Maillard反应产物含量。常规栽培+绿肥处理能明显提高中部叶的类西柏烷类降解产物的含量。深耕+秸秆还田处理能明显提高上部叶的类西柏烷类降解产物的含量。无论中部叶还是上部叶,在评吸得分上,常规耕作对照及常规耕作配合翻压绿肥或秸秆还田处理都高于深耕各处理。